宇宙的四維空間結(jié)構(gòu)及演變歷程
關(guān)鍵詞 經(jīng)典時(shí)空觀念，大爆炸宇宙學(xué)說(shuō)，四維彎曲體
引言
大爆炸宇宙學(xué)說(shuō)詳細(xì)地闡述了宇宙由一個(gè)溫度極高、壓力極大、密度極大的原始核演變而來(lái)，基于宇宙正在膨脹及微波背景輻射事實(shí)的存在，這一學(xué)說(shuō)正在被越來(lái)越多的人接受。這里根據(jù)質(zhì)能相當(dāng)原理統(tǒng)一起來(lái)的質(zhì)量、能量守恒定律，論證原始核如何演變而來(lái)及最終演變?nèi)ハ颍F(xiàn)存宇宙物質(zhì)主要集中在一個(gè)三維彎曲封閉空間內(nèi)，我稱(chēng)之為“四維彎曲體”。盡管大爆炸宇宙學(xué)說(shuō)的追隨者和愛(ài)因斯坦已經(jīng)提出了相似甚至相同的思想，“正在膨脹的吹氣球”、“有限無(wú)邊的三維彎曲空間”、“超圓體”，但這里的論證相信更深刻和更具說(shuō)服力。
1 何為四維空間和四維彎曲體
1.1 何為四維空間
這里說(shuō)的四維空間明顯地與相對(duì)論指的四維時(shí)空不同，所謂四維時(shí)空是指三維空間與一維時(shí)間融洽而成為一個(gè)復(fù)合體，相對(duì)論認(rèn)為時(shí)間和空間是分不開(kāi)的，是一個(gè)整體的不同部分，這里說(shuō)的四維空間是指不含時(shí)間在內(nèi)的空間，認(rèn)為宇宙中除了我們熟悉的三維空間外，還有一維我們根本不知道存在的空間，它就在我們身邊，與“長(zhǎng)”“寬”“高”一樣實(shí)實(shí)在在地存在著，可是卻極難察覺(jué)，以致以目前極為強(qiáng)大和極為復(fù)雜的物理實(shí)驗(yàn)也未能發(fā)現(xiàn)。這里的理論認(rèn)為空間與時(shí)間是各自獨(dú)立的，而且為了方便理解，可以認(rèn)為空間和時(shí)間是完全剛性的，就象牛頓提出的經(jīng)典時(shí)空定義那樣，因而這里的理論建立在經(jīng)典時(shí)空觀念之上。事實(shí)上，不管你是多么的不愿意承認(rèn)，只要你聯(lián)想著大爆炸宇宙學(xué)說(shuō)，你就想到了經(jīng)典時(shí)空觀念，而不是相對(duì)論時(shí)空觀。
在具有長(zhǎng)寬高的立體空間里，由于經(jīng)過(guò)一點(diǎn)只能找到三條兩兩互相垂直的直線(xiàn)，無(wú)論采用哪種坐標(biāo)系，都必須且只須用三個(gè)坐標(biāo)數(shù)，我們說(shuō)它是三維空間，是我們已知的維數(shù)最多的空間。在想象的“四維空間”中，經(jīng)過(guò)一點(diǎn)，不但可以找到三條兩兩互相垂直的直線(xiàn)，而且可以另外找到一條直線(xiàn)與這三條直線(xiàn)兩兩互相垂直，也就是說(shuō)，經(jīng)過(guò)一點(diǎn)有且只有四條直線(xiàn)兩兩互相垂直。
1.2 何為“四維彎曲體”
可以從“圓”的角度理解四維空間。圓的直角坐標(biāo)方程是 ，它是二維平直空間中一維彎曲空間（彎曲線(xiàn)），球面的直角坐標(biāo)方程是 ，它是三維平直空間中二維彎曲空間（彎曲面），同樣可以在四維平直空間中設(shè)想一種三維彎曲空間，這就是我說(shuō)的“四維彎曲體”，其直角坐標(biāo)方程是 ，其中 、 、 、 分別代表四條兩兩互相垂直的坐標(biāo)軸上的坐標(biāo)值， 表示離坐標(biāo)原點(diǎn)的距離（半徑值）。
四維彎曲體究竟是什么呢？我們的觀念僅僅知道三維平直空間，所以我們只能從三維平直空間觀念中理解四維空間的有關(guān)現(xiàn)象，這就得借助比喻、推理和想象。設(shè)想以經(jīng)過(guò)原點(diǎn)且垂直 軸的平面橫截球面 （這相當(dāng)于令 ），我們得到一個(gè)圓 ，同樣，以經(jīng)過(guò)原點(diǎn)且垂直于 軸的平面橫截四維彎曲體 （這相當(dāng)于令 ），我們得到一個(gè)球面 ，所以四維彎曲體是一個(gè)類(lèi)似于球面（或者圓）的東西，只是這個(gè)“球面”除了“長(zhǎng)”、“寬”二維空間外，還多了一個(gè)“高”——第三維空間。
2 存在四維空間的依據(jù)
2.1 平直空間和彎曲空間對(duì)于坐標(biāo)系的建立是等效的
在平面上，可以用兩個(gè)坐標(biāo)值確定某一位置，在球面上，我們同樣可以建立坐標(biāo)系，然后用兩個(gè)坐標(biāo)值確定某一位置。推及三維空間，即使我們認(rèn)知的三維空間不是平直的，而是四維平直空間中一個(gè)較為特殊的彎曲空間，同樣可以用三個(gè)坐標(biāo)值對(duì)某點(diǎn)的位置加以確定，基于這點(diǎn)，我們才可以假設(shè)存在著第四維空間。
2.3 自然界中存在的某些神秘現(xiàn)象
一方面事例來(lái)自于某些人的神秘失蹤和再度出現(xiàn)，這類(lèi)例子至少可以舉10個(gè)，這里只提及1978年5月20日發(fā)生在美國(guó)南方的新奧爾良城一所中學(xué)操場(chǎng)上的一件事，當(dāng)時(shí)體育老師巴可洛夫在教幾個(gè)學(xué)生踢足球射門(mén)，14歲的巴爾萊克突然一球射入球門(mén)，他高興地跳起來(lái)一叫，當(dāng)著眾人的面，眨眼功夫就失去了蹤影。[1] 另一方面的事例是某些特異功能者特異搬物。1986年4月5日，錢(qián)學(xué)森在京接受香港記者采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)，他曾親眼見(jiàn)過(guò)一次特異功能演示：一瓶未開(kāi)封的藥，抓到手中，從中漏出23粒；再開(kāi)瓶查驗(yàn)，其中剩下的正好77粒，而藥瓶完整無(wú)缺，并且，每粒藥片又做了特殊記號(hào)，可以防止魔術(shù)似的將其他藥片混入充數(shù)，藥瓶為特制材料，一旦破損，不能復(fù)原，這種“物體穿壁”的過(guò)程，還以每秒400張的高速連續(xù)攝影的設(shè)備進(jìn)行拍攝，所有這些都有力地證明了整個(gè)演示的真實(shí)性。錢(qián)老對(duì)記者說(shuō)：我是學(xué)科學(xué)的，事實(shí)就是事實(shí)，我被說(shuō)服了！[2]
信服神秘現(xiàn)象存在的不僅有錢(qián)學(xué)森，還有愛(ài)因斯坦。愛(ài)因斯坦和一位物理學(xué)家曾經(jīng)進(jìn)行這樣的對(duì)話(huà)。那位物理學(xué)家說(shuō)：“我傾向于相信傳心術(shù)（Telepathy）。”愛(ài)因斯坦說(shuō)：“它同物理學(xué)的關(guān)系也許比它同心理學(xué)的關(guān)系更密切。”那位物理學(xué)家說(shuō)：“是的。”[3]看來(lái)，神秘現(xiàn)象已經(jīng)不能再簡(jiǎn)單否定，也許需要冷靜地思考，想想我們是不是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了全部物理規(guī)律，這些現(xiàn)象是不是真的不可以用物理學(xué)進(jìn)行理解。就我個(gè)人的感覺(jué)而言，只要假設(shè)存在著第四維空間，上述神秘失蹤現(xiàn)象及“特異搬物”便可以理解。
3 現(xiàn)存宇宙物質(zhì)集中在一個(gè)四維彎曲體內(nèi)的依據(jù)
一般地，人們總認(rèn)為水的表面是一個(gè)平面，一碗水、一個(gè)湖就是這樣，但海水表面卻顯然不是平坦的，這點(diǎn)人們可以根據(jù)光線(xiàn)進(jìn)行判斷，而不是根據(jù)水平靜（不流動(dòng)）其表面就是平坦的（連通器原理）。如果沒(méi)有直線(xiàn)傳播的光，人們就不能斷定海水表面是彎曲的。假定光在更大尺寸上的行為不再保持嚴(yán)格的直線(xiàn)傳播，即不承認(rèn)“光沿直線(xiàn)傳播”觀點(diǎn)，或者說(shuō)光子永遠(yuǎn)被限制在四維彎曲體內(nèi)，如果我們知道的空間彎曲得很微小，我們是不能憑借光傳播加以認(rèn)識(shí)的。而事實(shí)上，宇宙物質(zhì)空間分布的巨大程度已經(jīng)很好地保證四維彎曲體曲率非常小，所以我們根本不知道這一彎曲事實(shí)的存在。其實(shí)地球是球體，很早以前人們也不知道，只是在天文學(xué)家和航海家證實(shí)以后，人們才知道和確信這一點(diǎn)。
4 宇宙物質(zhì)的從無(wú)到有的過(guò)程
根據(jù)能量守恒和質(zhì)量守恒，能量和質(zhì)量是不會(huì)創(chuàng)生的，然而我們禁不住要問(wèn)，宇宙中現(xiàn)實(shí)存在的碩大無(wú)比的能量和質(zhì)量當(dāng)初從何而來(lái)？或者大爆炸宇宙學(xué)說(shuō)中原始核是怎樣演變而來(lái)的？顯然我們不愿意放棄能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律，我們不會(huì)接受“上帝創(chuàng)造論”，也不愿意接受“宇宙永恒論”，但我們必須說(shuō)明宇宙的能量和質(zhì)量是怎樣演變而來(lái)的。帶著這個(gè)問(wèn)題讓我們考慮兩個(gè)物理過(guò)程。
5 宇宙物質(zhì)的從有到無(wú)的過(guò)程
關(guān)于宇宙發(fā)展的最終結(jié)局問(wèn)題，天文學(xué)家們即根據(jù)萬(wàn)有引力阻止宇宙物質(zhì)的膨脹和宇宙目前的膨脹速度，提出一個(gè)臨介密度，認(rèn)為如果宇宙物質(zhì)的真實(shí)密度大于臨介密度，宇宙物質(zhì)膨脹到一定程度后將停止膨脹，開(kāi)始收縮，然后再膨脹，再收縮，如此循環(huán)演變下去，而如果宇宙物質(zhì)的真實(shí)密度小于臨介密度，宇宙物質(zhì)將一直膨脹下去，永不停止。倘若上文關(guān)于宇宙能量、物質(zhì)的來(lái)源分析得比較接近事實(shí)情況，那么宇宙的發(fā)展?fàn)顩r將介于上述兩種情形之間：宇宙繼續(xù)膨脹下去，而宇宙物質(zhì)將以能量的形式消失于宇宙的四維空間。這一過(guò)程分兩步進(jìn)行。
6.自然之謎
6.1 關(guān)于自然之謎
這篇論文引用了較多例子說(shuō)明存在四維空間，其中最可能引起爭(zhēng)議的是一些神秘自然現(xiàn)象的引用，可能有相當(dāng)多的科學(xué)工作者完全排斥這些神秘現(xiàn)象，壓根兒不愿意把它們納入科學(xué)領(lǐng)域。但我個(gè)人卻深信這類(lèi)現(xiàn)象是客觀存在的，而且我認(rèn)為，如果我可以在科學(xué)領(lǐng)域取得成功，很大程度是因?yàn)槲腋矣诎炎匀恢i與自然科學(xué)結(jié)合起來(lái)，努力尋找那些看似神秘的自然之謎存在的可能，并試圖作出物理學(xué)方面的嚴(yán)格解釋。我希望所有人都愿意相信這樣的一個(gè)事實(shí)：我們并未認(rèn)知全部物理規(guī)律，有些現(xiàn)象暫時(shí)無(wú)法解釋?zhuān)鼈儏s可能是物理事實(shí)，就象以前的人們壓根兒不會(huì)相信“始終向著東走會(huì)回到原來(lái)的出發(fā)點(diǎn)”那樣。
我得承認(rèn)，直到現(xiàn)在為止，人們并未找到相關(guān)自然之謎的有力實(shí)驗(yàn)證據(jù)，也許它們確實(shí)太過(guò)于撲朔迷離，但這不等于不存在，我希望人們?cè)敢獍阉鼈兛醋饕粋€(gè)重大課題進(jìn)行研究，深刻認(rèn)識(shí)這些自然之謎的理解對(duì)物理學(xué)革新具有的重大意義，更廣泛地論證和尋求實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
6.2 關(guān)于離開(kāi)四維彎曲體隱形的物理機(jī)制
一個(gè)重要的事實(shí)是特異功能者可以在精神高度集中的情況下使物體離開(kāi)我們熟悉的三維物質(zhì)空間發(fā)生隱形，而物理學(xué)進(jìn)行的高溫、高壓和高能量實(shí)驗(yàn)從來(lái)沒(méi)有使物體隱形，這是為什么呢？我們看看桌球是怎樣飛出桌球臺(tái)的。打過(guò)桌球的人都知道，如果水平用力推動(dòng)主球，無(wú)論用力多大，主球和被碰撞的子球都只能在桌球臺(tái)平面上來(lái)回運(yùn)動(dòng)，如果用力偏向下或偏向上，就會(huì)有桌球騰飛跳出桌球臺(tái)。受此啟發(fā)，要使物體隱形，必須有不與三維物質(zhì)空間平行的力參與，也就是這個(gè)力必須涉及第四維空間，物理實(shí)驗(yàn)不管涉及的能量多大，運(yùn)動(dòng)速度多快，只要是平行于三維物質(zhì)空間，就不會(huì)引起物體離開(kāi)三維物質(zhì)空間，而特異功能者經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，相信具有某種能力，運(yùn)用意識(shí)驅(qū)動(dòng)“場(chǎng)”運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槭菆?chǎng)運(yùn)動(dòng)，涉及第四維空間，產(chǎn)生的力可以不平行三維物質(zhì)空間，致使物體隱形。意識(shí)如何驅(qū)動(dòng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，如何產(chǎn)生力推動(dòng)物體，這是整個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵，要搞清隱形的物理機(jī)制，首要問(wèn)題是如何提出合適的理論，指導(dǎo)試驗(yàn)者訓(xùn)練，成功地運(yùn)用意識(shí)推動(dòng)物體。當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)必須具備可重復(fù)性。
離開(kāi)三維物質(zhì)空間隱形后，所處空間位置的標(biāo)量引力場(chǎng)已經(jīng)改變（極其稀?。姶畔嗷プ饔煤蛻T性必將隨之改變，那么物體如何恢復(fù)原有的原子體系結(jié)構(gòu)以便重現(xiàn)呢？這是另一個(gè)必須解答的問(wèn)題，可是這一問(wèn)題不好回答，只是我相信，如果自然界中真的可以隱形和重現(xiàn)，那么這種現(xiàn)象必然有其存在的科學(xué)道理，那怕也許我們一輩子也弄不明白。
6.3 四維彎曲體圓的程度和厚度
科學(xué)上有個(gè)不成文的公理，“數(shù)學(xué)的最完美圖案在自然界中不存在”，四維彎曲體作為宇宙物質(zhì)的存在場(chǎng)所，不可能就象表達(dá)式那樣完美，那么，究竟有多“圓”呢？
四維彎曲體圓的程度首先取決于宇宙大爆炸的瞬間，然后取決于爆炸后的演變。我們假設(shè)大爆炸前能量的收縮在四維空間內(nèi)進(jìn)行，這種收縮可能存在某種機(jī)制，使得波動(dòng)能量幾乎同一時(shí)刻到達(dá)四維空間的一個(gè)點(diǎn)上，然后爆炸，又“同一時(shí)刻”離開(kāi)這個(gè)“點(diǎn)”，形成初步的四維彎曲體外形。隨后，由于物質(zhì)的引力場(chǎng)被限制在四維彎曲體的三維彎曲空間內(nèi)，能量之間的相互作用，包括粒子間的引力、斥力和碰撞，光子的傳播等，都被引力場(chǎng)的存在位置限制在四維彎曲體的三維彎曲空間內(nèi)進(jìn)行，從而保證了四維彎曲體不至于解體。
光子的遠(yuǎn)程傳播是導(dǎo)致四維彎曲體變得更圓的直接原因。光子的遠(yuǎn)程傳播一方面“試圖”是直的，另一方面又依賴(lài)引力場(chǎng)的存在，這反過(guò)來(lái)影響引力場(chǎng)的空間分布，使其分布的曲率變得更小、更均勻，從而促使四維彎曲體變得更圓。
由于未能觀察到第四維空間，人們總是假設(shè)物質(zhì)存在的第四維空間線(xiàn)度非常小，小于 m，其實(shí)不然，物質(zhì)存在的第四維空間也許比這一數(shù)值大了許多，只是我們尋找不到存在這一維空間的物理機(jī)制。設(shè)想兩個(gè)半徑差值很小的球面之間在些紙碎，并富于它們感知能力，它們就會(huì)從相互碰撞過(guò)程感知彼此的二維幾何形狀，但由于離不開(kāi)這個(gè)薄薄的二維彎曲空間，它們是不能感知第三維空間存在的。如果紙碎厚度很大，譬如大于1cm，只要它們?nèi)匀槐幌拗圃趦汕蛎嬷g，它們也同樣不能感知第三維空間的存在，這就說(shuō)明了四維彎曲體的厚度也許不至于那樣小。
6.4 以太、場(chǎng)論、標(biāo)量引力場(chǎng)和量子力學(xué)
我象許多二十世紀(jì)初的物理學(xué)家那樣懷念以太，盡管機(jī)械式的以太已經(jīng)被排除出物理學(xué)之外，但人們不會(huì)忘記以太曾經(jīng)輝煌的一頁(yè)，不會(huì)忘記麥克斯韋借助以太建立場(chǎng)方程從而奠定電磁學(xué)基礎(chǔ)[10][11]，不會(huì)忘記最初菲涅耳依據(jù)以太推導(dǎo)出曳引系數(shù)公式 [12]。隨著物理學(xué)的進(jìn)展，人們又注意到真空不空，真空中存在著一種特殊的物質(zhì)，這種物質(zhì)導(dǎo)致了粒子波動(dòng)性和真空極化的存在，導(dǎo)致了測(cè)不準(zhǔn)原理的出現(xiàn)，導(dǎo)致了量子力學(xué)得到以成功地研究微觀物體運(yùn)動(dòng)，不管我們稱(chēng)之為“以太”還是“場(chǎng)”，這一物質(zhì)確實(shí)客觀存在著。
本文依據(jù)標(biāo)量引力場(chǎng)提出相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，如果成功了，那么我們可以相信，無(wú)論昔日的“以太”還是今日量子力學(xué)賴(lài)以存在的“場(chǎng)”，其真實(shí)身份都是“標(biāo)量引力場(chǎng)”。標(biāo)量引力場(chǎng)作為一種特別的物質(zhì)，幾乎沒(méi)有質(zhì)量和慣性，卻能對(duì)粒子在其中的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，它具有某種彈性形變的性質(zhì)，使得粒子的運(yùn)動(dòng)引起一種不同于宏觀介質(zhì)的波動(dòng)，波動(dòng)頻率正比于粒子能量，波長(zhǎng)卻反比于粒子動(dòng)量，波動(dòng)強(qiáng)度隨著與粒子的距離增大而衰減，粒子的速度越大、質(zhì)量越大，衰減得越快，最為奇特的是，粒子運(yùn)動(dòng)在標(biāo)量引力場(chǎng)中引起的波動(dòng)，在能量和動(dòng)量等方面永遠(yuǎn)與該粒子融洽而成為一個(gè)整體，就像一個(gè)光子，無(wú)論傳播的距離多遠(yuǎn)，它含有的能量和動(dòng)量仍然是一個(gè)整體。粒子的運(yùn)動(dòng)在微觀上已經(jīng)不再獨(dú)立，這使得電子雙縫干涉現(xiàn)象得以存在，電子不管穿越哪一個(gè)縫，引起的波動(dòng)總是同時(shí)穿越兩個(gè)縫，這就引起了波動(dòng)之間的干涉，但電子和這些波動(dòng)能量又永遠(yuǎn)是一個(gè)整體，所以我們又能觀察到一個(gè)個(gè)的電子。
盡管愛(ài)因斯坦認(rèn)為廣義相對(duì)論是一種場(chǎng)論，但相對(duì)論和量子力學(xué)顯得很不協(xié)調(diào)，尤其是狹義相對(duì)論，純屬時(shí)空理論，與“場(chǎng)”沒(méi)有任何關(guān)系，甚至排斥場(chǎng)，把真空看作沒(méi)有任何物質(zhì)——包括沒(méi)有場(chǎng)——的空虛空間。本文提出的基于經(jīng)典時(shí)空觀念的相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，它同時(shí)建立在引力場(chǎng)基礎(chǔ)之上，認(rèn)為光的傳播等物理事件依賴(lài)標(biāo)量引力場(chǎng)而存在，這注定它與量子力學(xué)的關(guān)系融洽許多，一旦人們證實(shí)物質(zhì)波也依賴(lài)標(biāo)量引力場(chǎng)，找到普朗克常數(shù)與引力場(chǎng)標(biāo)量積分或四維彎曲體特征半徑的關(guān)系，并且獲得光速C與糾纏態(tài)信息傳遞極大速度之間矛盾的深層原因，把兩者聯(lián)姻起來(lái)，物理學(xué)將重新回到一個(gè)整體。
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